|
Integrated Device Technology(IDT)每年大約有50個使用新封裝格式的產品上市，這50個新產品的散熱性能，之前一直依靠實際測試來保證。而通常情況下，第一版設計中的熱設計不達標率高達10%～20%，這些熱設計不達標的產品，都需要進行一次甚至多次的改進設計以保證其散熱性能達標。這樣通常會造成產品上市延期大約6周左右的時間，如果新產品的設計包含重大改變，例如改用完全不同的封裝格式，則會導致設計時間的進一步增加并使加工成本上升。 最近，IDT在對每一個采用新的封裝格式的產品進行實際測試之前，使用Mentor Graphics公司Mechanical Analysis部門的FloTHERM和FloTHERM.PACK對它們進行熱仿真分析，這樣可以大大減少熱測試的重復次數并縮短開發周期。FloTHERM.PACK在線封裝模型生成工具能在約30分鐘內生成一個全新封裝的模型，把模型導入到FloTHERM熱仿真分析軟件中，即可在很短的時間內了解到封裝的散熱性能。IDT的工程師一般會評估多個不同封裝格式的散熱性能，并從中選取在散熱性能、板上空間利用、成本和其他指標上都最優的配置。IDT公司的高級封裝工程師Jitesh Shah說：“自從我們對每個新封裝采用熱仿真分析后，我們從未發生過因為散熱性能方面的原因引起后期更改設計或導致生產延期的情況。” IDT 主要研發應用于數字媒體產品中的混合信號半導體解決方案，公司全球約有2400名員工，并有1300多種產品應用于15000種解決方案。IDT的技術主要用于協助處理器執行基本的核心任務和功能(例如卸載、搜索和查表)，以此來提高網絡和特定處理器的效率。使用IDT的時鐘、搜索引擎器件和預處理交換器件可解決服務質量(QoS)、優先權和來源目的功能等長期以來處理器所面臨的瓶頸問題。IDT的技術有助于提升處理器的使用效率，讓使用者能更快速的連接到所需要的數字媒體內容，享受更為高效的數字媒體體驗。 傳統的“制造—測試模式” 過去，IDT的工程師通過在JEDEC標準環境下對產品進行熱測試，評估采用新封裝格式產品的散熱性能。他們通常采用一種上面裝有正向偏壓二極管的特殊熱測試晶片來測量封裝器件的結溫。工程們需要先將封裝器件安裝在一個JEDEC標準測試板上，然后在自然對流和強迫對流環境下進行產品的熱測試。這種情況下收集每一組測試數據的周期大概為4周到6周(具體工作包括：設計用于熱測試的封裝器件和測試電路板、制造用于熱測試的封裝器件和電路板組件以及測試)。這種方法的缺陷主要在于，只能在設計的后期，樣品制造出來后進行產品的熱性能評估。而到了設計的后期，整個產品開發周期所剩的時間已經不多，為了不延誤產品的上市，最多可以進行兩個方案的測試評估。通常情況下80%～90%的產品方案能滿足散熱性能要求，從而如期上市。 但是，還有 10%～20%的產品，其原始設計不能滿足散熱要求。在這種情況下，結構工程師就不得不重新開始設計能夠滿足散熱性能要求的新方案。因此，產品上市就會被延期6周左右，并且由于涉及到設計修改與物理測試樣品制造，成本也因此上升。 傳統的“制造-測試模式”由于評估每個設計所花時間較長(約4周至6周)，因此沒有足夠的時間評估替代方案，也就必然失去了遴選最優方案的機會。 熱仿真可快速提供分析結果 20多年來，IDT一直在采用新的設計流程，從根本上減少新產品散熱性能評估所需的時間。IDT的工程師們使用Mentor Graphics公司的FloTHERM.PACK在線封裝模型生成工具為設計方案建模，輸入如封裝類型、尺寸、導線或球距、基板截面、芯片尺寸等設計參數來描述IC封裝，即可在線生成產品的詳細熱模型、雙熱阻模型和Delphi熱阻網絡模型，然后使用FloTHERM熱仿真分析軟件對模型進行熱模擬分析，即可快速獲取器件熱特性的數據。 FloTHERM.PACK支持三種封裝模型：詳細熱模型、雙熱阻模型和Delphi熱阻網絡模型。詳細熱模型完整的描述了封裝特征，與雙熱阻模型和Delphi模型相比，需要的計算資源更多，得出的熱性能結果也最精準；雙熱阻模型是按照 JEDEC標準對結-殼(Junction-to-Case)熱阻以及結-板(Junction-to-Board)熱阻的計算規定來生成的，他們需要的計算資源很少，預測的結果在最差的情況下，準確度保證在30%以內；DELPHI熱阻網絡模型實現了Project DELPHI提出的建模方法，它用熱阻網絡而不是兩個熱阻來描述封裝的散熱特性，比雙熱阻模型有很大改進，對于任何電子產品合理的系統級分析，DELPHI熱阻網絡模型預測的結溫精準度在10%以內，而對計算資源的要求卻非常低，仿真時間也很短。 在線生成封裝的某一種熱分析模型后，IDT工程師將會把它導入到從FloTHERM.Pack網站上下載的JEDEC標準熱分析環境或者自己用 FloTHERM熱仿真軟件定義的熱分析環境中。用FloTHERM進行仿真分析計算即可快速得到分析結果。仿真分析能提供整個設計方案完整的散熱分析數據報告，這些數據不僅包括環境溫度與器件結溫，也包含整個仿真模型內每個位置的溫度以及風速等參數值。 Shah說：“仿真結果能幫助我們確定設計方案中的高熱阻區域，通過修改這些地方的設計即可優化其散熱性能。我們僅需一天就能在設計早期模擬一個備用方案，所以我們有機會評估大量不同的設計方案，從而選取最優方案。很多情況下，熱仿真幫助我們提高了對產品的性能優化的洞察力，例如，我們能很快知道，對某個應用，是否需要通過添加散熱器使產品散熱性能達標。” 熱仿真幫助優化設計 Shah向我們介紹了最近上市的一個產品，他通過仿真評估了很多備用方案，并在樣品制造之前，從熱性能的角度選取了最優方案。這個產品是以微導線架封裝起來的多芯片模塊，包含兩個晶粒，一個處理器和一個時鐘。這個應用的對散熱設計的要求非常具有挑戰性，因為兩個芯片的溫度差必須控制在0.1oC或更低。這是因為溫差會影響到兩個芯片的協同工作，這兩個芯片必須在接近一模一樣的溫度下工作。 Shah考慮了兩個主要的設計備用方案。將兩個晶粒并排放置在芯片基板上的優勢是兩晶粒間熱阻小，組裝成本低，缺點是占用更多電路板空間。另一種方案將兩個晶粒重疊安裝，優點是節省空間，缺點是高熱阻和高成本。Shah 針對不同的方案生成了一系列的熱仿真分析模型，用芯片-芯片安裝和芯片-基板安裝熱界面材料兩種結構方式來對比這兩種設計方案。 如果晶粒溫度必須控制在某個具體數字以內，那么主要的挑戰是將晶粒間的溫度控制到非常低的水平。對每一個設計備選方案，在FloTHERM.PACK在線模式中輸入封裝尺寸和材料屬性，然后，下載生成的模型，導入到FloTHERM中，并選擇在-55oC到85oC之間的六個環境溫度條件進行熱仿真分析，以確保考慮到了所有應用環境。 節省電路板空間 “我分析，并列放置時熱性能最好，因為此時兩晶粒通過芯片基板在熱性能方面是互通的，而且此方案中的熱界面材料的導熱性比堆疊方案中的明顯好很多，”Shah說：“但是運行仿真計算后發現，堆疊方案的熱性能卻更好！認真查看仿真結果，我決定將導熱性更好的界面材料用到堆疊方案中，這樣也許能獲取到并列排放方案中期望的結果。這個產品將會應用到電路板空間非常珍貴的便攜式消費品上，所以使用堆疊方案能夠為設備廠商提供巨大的便利。” Shah總結到：“對于熱仿真如何能夠改進產品研發流程，這個例子只是很多仿真應用中的一個代表。熱仿真幫助避免在設計后期修改設計，避免產品上市延期，幫助我們增加了收入。熱仿真也減少了產品研發成本，減少了樣品的數量。同時，熱仿真幫助從熱性能角度評估多個備選方案，對我們如期推出出色的產品貢獻巨大。” 
圖1：塑膠球狀網陣排列封裝，封裝基板有1盎司銅的平面，無散熱塊。設備功率=3.5W，最高允許芯片溫度=125 oC，最高環境溫度=70 oC，熱仿真結果顯示，最高溫度接近最高允許溫度。
圖2：與圖1案例相同，但是銅平面改為2盎司，添加了散熱塊。溫度現在遠低于最高允許溫度，但2盎司銅平面以及散熱塊增加了成本。
圖3：本設計使用2盎司的銅平面，不使用散熱塊。成本比圖2方案略高，但是溫度降到了可接受的范圍。這是最終設計方案。 作者：Mentor Graphics公司 徐磊 |
